第二章 火災煙霧特性
第五節 能見度
Ukleja(2012) 所作 文 獻整 理，煙的產生不僅取決於燃料及整體當量比
（Global Equivalence Ratio, GER），還取決於封閉區間內的溫度及停留時間，煙霧 含有微小的顆粒會引起光線遮擋、散射和吸收光線，這些顆粒有兩種類型：煙灰 顆粒的凝聚結合一起如鍊及團簇（Drysdale，1998）及液態微滴（懸浮微粒煙霧）
（Friedman，1998）。 這些微滴是冷卻及凝結的結果。此外，煙霧還可能含有一 些未完全燃燒的可燃材料的微小顆粒。
詞彙“煙灰＂用於燃燒研究以描述在火焰中產生的所有類型的碳顆粒，並 且稍後也存在於煙霧中（Watson和Valberg，2001; Bond和Bergstrom，2006）。 煙 灰在火焰中的存在導致輻射，從而導致火焰的亮度和黃色發光。然而，當煙灰顆 粒冷卻時是黑色的，並且存在後火焰煙霧中導致可見光的遮蔽。
煙灰在火焰中形成，因此該過程強烈地取決於燃燒條件（壓力、化學計量、
可用空氣量、燃燒模式），因而煙灰的性質在不同條件之間而不同（Watson和 Valberg，2001）。
煙灰的形成及氧化作用對於後火焰煙霧產生是非常重要的，因為煙霧主要 由 火 焰 包 裹 內 其 中 未 氧 化 產 生 的 煙 灰 顆 粒 組 成 （ Kent and Wagner ， 1984;
Delichatsios，1993）。 換句話說，被看作是微粒煙霧，其已經產生在火焰區域 - 煙灰-及火焰中的條件（火焰的大小及因而停留時間、溫度、形狀，煙灰的尺 寸及其在火焰內的軌跡） 將決定多少煙灰可以逸出。
與煙霧相關的一個特性是消光係數，其描述由給定的煙量沿著已知光路徑 之可見光輻射量的衰減。消光是由兩大現象引起的：散射及吸收（圖2-14）。
資料來源：”Production of smoke and carbon monoxide in under-ventilated enclosurefires”
圖 2-14 煙的消光之散射及吸收作用
當 單 色 ( 單 波 長 ) 光 束 通 過 煙 霧 時 ， 入 射 光 的 透 射 率 可 以 從 Beer-Lambert-Bouguer 定律（British Standards Institution，1998; Whiteley，
2008）的簡化版本獲得：
e (2-38) 其中
：入射光透射率(-) L：通過煙的路徑長度(m) k：消光係數(1/m)
重新排列上述方程給出了光消光係數的公式，理論上對於單色光有效：
k ln (2-39) 描述從給定燃料釋放的煙量的一種可能的方法是依據消光係數的標準化，其 中燃料的質量損失率乘以測量部分中的體積流量。因此，獲得比消光面積（SEAf
或σ ），有時在燃料質量損失的基準上稱為比消光面積。這種方法用於例如圓錐 量熱儀測試（Babrauskas and Mulholland，1987; Babrauskas，2002）：
σ ⁄ (2-40)
其中 值為 10.0 ㎡/g(10,000 ㎡/kg)，PyroSim (2017)，FDS 預設值為 8700，建議 的不確定度為±1100。
描述燃料煙霧的不同方法在歐洲聯盟根據認證建築產品的單次燃燒試驗
（European Committee for Standardisation，2002 年）中採用。在該測試中，計算 一個名為煙產生率(Smoke Production Rate)的參數：
SPR t k V (2-41)
“（British Standards Institution，1998）。
給 定 的 火 災 情 境 的 能 見 度 通 常 如 Fire Dynamics Simulator （ FDS ）
（McGrattan等人，2007）的計算機模式預測，這些模式需要可靠的輸入數據來 計算能見度。
Jin（Jin，1978; Jin and Yamada，1989; Jin and Yamada，1990; Jin，
2002）進行了煙霧能度的廣泛實驗研究。 這些研究的結果被廣泛接受和實施，
例如在FDS（McGrattan 等人，2007）和英國有關煙霧測量的標準（British Standards Institution，1998）中。 Jin（2002）提出的一個簡單的出口標誌 識別模型由以下等式描述，第一個用於自發光標誌，第二個用於反射光標誌：
Visibility ln (2-42)
其中
Visibility：在暗化臨界值處標誌的能見度(m) k：消光係數(1/m)
BEO：標誌的亮度(cd/m2)
：在暗化臨界值下煙霧中標誌的對比臨界值(0.01~0.05) C：煙霧質量濃度(g/m3 氣體)；
：來自煙霧各個方向的照明光的平均照度的 1 /π(m/m2) 對於反射標誌，修改後的公式是有效的：
Visibility ln (2-43)
其中
：標誌的反射率
能見度和消光係數的乘積幾乎是恆定的，因此可以使用以下等式：
Visibility ~ 用於發光標誌 及
Visibility ~ 用於反射光標誌
常數取決於標誌的反射率及照明光的亮度。
Jin（2002）得出結論，Visibility ~ 不僅可以用於出口標誌的能見度，
而且可以用於填充煙霧的建築物的總體能見度，“反射光標誌的最小值可能適 用＂。但於 British Standards Institution （1998）沒有提到及聲明對於總 體能見度，應使用等於 3 的常數。此外，FDS 手冊（McGrattan 等人，2007）僅 分別引用反射光和自發光標誌的值 3 及 8，沒有提到這些值應謹慎使用，因為到 目前為止還沒有足夠的確認。此外，FDS 通常用於評估填充煙霧的空間的能見度，
並使用常數值 3 而不是 2 可能會導致顯著的過度預測。總之，如果遵循英國標準 或 FDS 手冊的不正確建議，煙霧中的能見度可能會大大超過預期。
與能見度有關的另一個更重要的問題是隱藏在用於例如 FDS 中以獲得消光係 數的過程中，在 FDS 中，消光係數是從煙霧的質量濃度得出的(C ），隨後，
σs 的不適當值對消光係數及能見度估計有顯著的影響。例如，FDS 使用由 Mulholland 和 Croarkin（2000）提出的值 8.7，可能導致過度預測消光係數及 隨後的能見度。
以前大部分成果與過度通風的條件有關。然而，當沒有足夠的空氣可用於完 全燃燒時，封閉區劃中的大部分火災發展達到通風不足的狀態。由於在各種燃燒 條件下煙霧顆粒不同，因此以前的研究數據可能不適用於通風不良的條件。
通風不良火災計算的能見度可能不正確。 另外，在某些CFD軟件（例如FDS）
中確定煙霧中的能見度與研究工作不一致，因為一些假設是無效的。因此，計算 的能見度可能高於實際情況，這對建築物和運輸工具的防火設計至關重要，因為 可能會對居民造成重大危害。
鄒易百(2014) 實際於同一挑高空間內測試，利用FDS電腦模擬分析，確實 得到非常良好的排煙效果。反之，實際於建築物內實施全尺度火災試驗所得到的 結果並不如FDS 電腦模擬分析所預期，也就是電腦模擬分析無法真正模擬實際情 形。究其原因，FDS參數及邊界條件之設定忽略了建築物周邊環境的實際情況。
Jin (1997)，許多避難人員在火災早期階段被相對薄的煙霧所困以及能見 度的減損是間接但致命的死亡原因，氧氣供應較少的煙氣往往會變成白色煙霧，
相反，當更多的氧氣供應時，變成黑色，在煙密度超過一定程度時，刺激性煙霧 的能見度急劇下降，在濃厚的刺激性煙霧中，受試者長時間不能睜開眼睛，嚴重 流淚，看不到標誌上的文字。即使在這種情況下，當出口標誌簡單居住者看一眼
即瞭解或熟悉的情況，煙霧的刺激性影響也許不會引起非常困難辨識出口。
資料來源：Studies on Human Behavior and Tenability
FROCC(2003)，煙對建築避難的影響(表 2-7)，需要將特徵產物性質與實際區 劃中的行為連結。 是白色的時候是至關重要的，如Jin等人(1985)所示。
通過實驗檢查出口標誌和人造煙霧的緊急照明的能見度，結果顯示以前研 究引入的能見度及火焰煙霧之間的相似關係，通過使用人造煙獲得的相關性似乎 高估了能見度，原因歸因於該實驗條件，即黑色和無刺激性煙霧的使用。與光散 射煙霧條件下的能見度相比，黑暗中的燈光的能見度得到改善。標誌的面積很重 要; 然而，較小和較不明顯的出口標誌的能見度幾乎與黑暗條件下的普通出口標 誌的能見度相同。因而認識到，標誌和背景之間的對比也是能見度的重要因素，
在實際火災中，從身體的及生理的層面消光係數超過1.2在真實火災中撤離是非 常困難的條件。
Michael及Ferreira (2008)探討FDS模擬表示，如果設計者在選擇模式輸入 參數或評估基準（例如設計的火災，煙霧特性，可維持基準或逃生考慮因素）時 不小心，則他們的設計可能缺乏足夠的保守性。由設計者避開保守參數選擇的結 果可能不會被識別，直到有一場涉及生命損失的中庭火災之後，發現由於原始設 計中假設的排氣量不足。
對於潛在不夠保守的中庭煙控系統設計，是消防主管和其他具有管轄權的 機關（AHJ）許可性能設計任務的一個特殊問題。 這些審核者可能不熟悉用於證 實設計的FDS或其他先進的設計工具，或者他們可能不完全了解分析中固有的設 計假設的影響。
在選擇關鍵設計值時，必須做出許多假設，以確保在分析中內置足夠程度 的保守性。 FDS結果的通過/失敗評估受到這些基本假設的極大影響。 設計者和 設計審核員應充分了解這些假設的影響。
為了計算煙霧的可見度距離，設計人員必須輸入FDS燃料特性，如煙灰，一 氧化碳產量和燃燒熱，使用較高的煙灰產量可能導致空間內較高（因此更保守）
的煙霧濃度，並且會降低計算的可見度距離。
相反，選擇更高的燃燒熱實際上減少了給定放熱速率燃燒的等效質量，這 減少了空氣中的煙霧顆粒的量，導致更高的預測能見度距離。因此，從可燃燃燒 類型的可用數據中選擇較高範圍煙灰產量和較低範圍的燃燒熱量的組合是最保 守的方法。設計者還必須根據可能在空間中的燃料類型來選擇燃料性質是適當保
守的。例如，主要是木材可燃物的選擇將產生比主要包含塑料的可燃物少得多的 煙霧（因此更高的預測能見度距離）。
進一步使這種選擇變得複雜的是文獻中有限的數據可用於為選定的設計火 焰準確地定義燃料性質，其通常包含燃料類型而不是一種特定燃料。此外，即使 是最有見識的防火系統設計人員也許沒有經驗來區分類似的燃料性質，鑑於這種 限制，再次，選擇燃料性質的唯一選擇是保守的。
燃料性質（煙灰產量和燃燒熱）的變化大大改變了空間內的能見度條件。 對 於包襯家具的燃料組合運行期間，能見度條件高於最小閾值（30 ft（10 m））。 對 於泡沫和塑料的火災，不可接受的能見度條件發展到關鍵煙層界面以下，燃料特 性的選擇直接影響到系統設計效能的評估。
防火部門主管和其他具有管轄權的機關應確保不被漂亮的FDS模式模擬所
防火部門主管和其他具有管轄權的機關應確保不被漂亮的FDS模式模擬所